1、從量子力學的兩大悖論看量子物理發展的軌跡制作者：戚志鵬 121111 先進光子學中心 李明銘 121165 光纖實驗室前言 19世紀末，經典物理學大廈已然建成，物理學的發展似乎已經到達了它的極限。然而，有些敏銳的科學家并沒有沉浸在悠然自得的氣氛中。“兩朵烏云”的出現，使得一切峰回路轉。科學嚴謹的態度告訴他們，物理學的真相還遠未解開。 20世紀初，量子力學伴隨著一片唏噓中誕生了，它的出現既是歷史的巧合，也是科學發展的必然。偶然性與機遇性是人們探尋真理的鑰匙，就這樣Plank成為了打開量子之門的第一人。之后，數以萬計的科學家們踏入了量子物理學的殿堂。 在自然科學發展過程中，任何新理論的誕生和發展都

2、不會是一帆風順的，量子力學由于自身的“離經叛道”在早期受到了絕大多數科學家的指責，連許多從事該方面研究的物理學家都不得不自我懷疑，甚至放棄研究。但是，真理往往掌握在少數人手里。提出問題，解決；再提出問題，再解決。量子力學就在這一片爭論聲中發展、完善，成為了當今物理學的支柱。選題的目的與意義： 科學理論的發展總是伴隨著舊問題的解決與新問題的提出，即：自我否定，辯證發展的過程。這是大部分理論發展的固有模式。量子力學亦是如此，剛開始人們提出這一理論就是為了解決黑體輻射的問題。但是，隨著人們對于微觀世界觀察的漸漸深入，量子力學逐漸的被人們所重視。 縱觀近代以來的物理學發展，量子力學自從其誕生以來就不得

3、不面對許許多多的問題與責難，當中有很多得以解決，但還有一些難題困擾著人們。其中，有兩大悖論幾乎貫穿了整個量子力學的發展歷史，它們就是：EPR悖論和薛定諤的貓悖論。 這兩大悖論的提出是對量子力學完備性和適用性的思考與探究。如何解決與驗證這兩大悖論讓許多科學家傷透了腦經，甚至到了今日，在這兩個問題上仍然存在疑慮和爭論。但是，我們不能否認，它們的出現從側面推動了量子力學的發展，使得這一理論顯得更加豐滿。EPR悖論及Bell不等式1.EPR悖論的提出背景： “上帝不會擲骰子（God does not throw dice.）”-愛因斯坦。 二十世紀上半葉愛因斯坦曾經是量子力學的催生者之一，但是他不滿意

4、量子力學的后續發展，也就是以玻爾為首的 哥本哈根詮釋。這一套詮釋表明自然法則中存在著一種根本的隨機性，“非決定論”成為了量子力學所建立微觀世界的基礎，愛因斯坦恪守“因果律”，他曾諷刺道：“月亮是否只在你看著它的時候才存在？”。 2.EPR假設： 1935年，以愛因斯坦為首，包括B.波多爾斯基和N.羅森提出了該悖論：假設兩個自旋為1/2的粒子A和B構成的一個體系。在一定的時刻后，使A和B完全分離，不再相互作用。當我們測得A自旋的某一分量之后，由角動量守恒，就 能確定地預言B在相應方向上的自旋值。 由于測量方向的任意性，B自旋在各個 方向上的分量應都能確定地預言。所以 他們認為，根據上述實在性判據

5、，就應 當斷言B自旋在各個方向上的分量同時 具有確定的值,都代表物理實在的要素，且在測量之前就已存在， 但量子力學卻不允許同時確定地預言自旋的各個分量值，所以不能 認為它提供了對物理實在的完備描述。4.Bohr對EPR悖論的反駁： 玻爾對于EPR實在性判據中關于“不對體系進行任何干擾”的說法提出了異議，他認為“測量程序對于問題中的物理量賴以確定的條件有著根本的影響，必須把這些條件看成是可以明確應用物理實在這個詞的任何現象中的一個固有要素，所以EPR實驗的結論就顯得不正確了”。 其次，玻爾以測量儀器與客體實在的不可分性為理由否定EPR論證的前提物理實在的認識論判據，從而否定了EPR實驗的悖論性質

6、。玻爾的異議及其論證是對EPR悖論自身的合理性進行了質疑。并且大量的實驗事實都與哥本哈根學派的解釋與經驗事實一致。但作為一種完備的理論，僅靠邏輯上的論證是不夠的。 5.隱變量與Bell不等式： 隱變量理論是指在量子力學上增添一些參量以確定單次測量結果的理論。它就是微觀世界中的一只無形的“手”。 以波姆的隱變量理論為例，像電子這樣的基本粒子本質上是一個經典的粒子，但以它為中心發散出一種勢場，使它每時每刻都對周圍的環境了如指掌。這種勢場就是量子勢。當一個電子向一個雙縫進發時，量子勢會在它到達之前便感應到雙縫的存在，從而指導它按照標準的干涉模式行動。 就目前而言，還沒有一個完善的隱變量理論既可以滿足

7、定域性原理，又可以不改變量子力學的統計預言。換言之，任何定域隱變量理論都不可能重復量子力學的全部統計預言。 如果貝爾不等式成立，意味著這種形式的隱變量理論也成立，則現有形式的量子力學就不完備。要是實驗拒絕貝爾不等式，則表明量子力學的預言正確。幾十年來，人們就把貝爾不等式成立與否作為判斷量子力學與隱變量理論孰是熟非的試金石。 阿斯派克特，塞林格和克勞瑟三人對bell不等式的實驗驗證貢獻最大。其中，三個人多次實驗結果表明bell不等式在微觀條件下不成立，即量子力學是完備的。 這場論戰促使量子力學進一步發展。而今，源于“非定域性”的量子效應已激起量子信息研究的蓬勃開展，涉及諸如量子濃縮編碼、量子隱形

8、傳態、量子糾錯碼、量子計算機等眾多領域。薛定諤的貓悖論1.薛定諤的貓提出背景： “生存還是死亡，這是一個問題（To be or not to be, that is the question)。” 薛定諤最早用波函數來描述微觀 世界中粒子的運動和狀態，是量子力 學的先行者。然而隨著量子力學的發 展，矛盾開始出現。薛定諤發現，量子力學的理論越來越趨于迎 合實驗結論，比如：幾率詮釋的應用。那么，這種依賴于實驗的 量子理論是否就是客觀實在的反映呢？與此同時，他對量子力學 的適用范圍也產生了疑惑，微觀世界與宏觀世界之間到底有無關 聯？2.薛定諤的貓假設： 1935年，薛定諤提出了一個 理想實驗：把一只

9、貓放進一個不 透明的盒子里，然后把這個盒子 連接到一個包含一個放射性原子 核和一個裝有有毒氣體的容器的 實驗裝置。假設放射性原子核在一個小時內有50%的可能性發生 衰變。若發生衰變，它將會發射出一個粒子，并且這個粒子將 會觸發這個實驗裝置，打開裝有毒氣的容器，從而殺死這只貓。 這個理想實驗的巧妙之處，在于通過“檢測器原子毒藥 這條因果鏈，將鈾原子的“衰變未衰變”疊加態與貓的“死活”疊加態聯系在一起，使量子力學的微觀不確定性變為宏觀的不確定性；把微觀的混沌變為宏觀的荒謬。 4.薛定諤的貓的深層內涵及平行宇宙 薛定諤貓佯謬實際上提出了一個十分重要的問題：什么是量子力學的觀測。在微觀的觀測中，我們始終無法回避人對于測量的影響，即：人在觀測的過程中不僅僅是旁觀者，也是參與者。以觀測電子為例，要用光照才能看見，光的最小單位光子的能量雖小但不是零，光子照到被觀測的電子上，對電子的影響很大。所以，在微觀世界中看一眼也會惹禍。當然，觀測者不一定要親自參與，在實驗的過程中往往觀測儀器代替“人”。 多重宇宙的最早提出者埃弗雷特指出盒中的兩種狀態的貓都是真實的。即：有一只活貓，有一只死貓，但它們位于不同的世界中。問題并不在于盒子中的放射性原子是否衰變，而在于它既衰變又不衰變。當我們向盒子里看時，整個世界分裂成它自己的兩個版